Основні газові компоненти повітря
Атмосфера – газова оболонка Земної кулі, товщиною понад 1000 км. Якщо нижня межа атмосфери є більш-менш вираженою в місці контакту з земною корою або гідросферою, то верхня межа атмосфери губиться у відкритому космосі.
Загальна маса атмосфери оцінюється у (5,2 х 10)18 т, що складає лише 0,4 % маси гідросфери або 19% маси земної кори. Проте, процеси, які проходять у атмосфері, є надзвичайно динамічними і визначають більшість явищ у біосфері.
12.1 Характеристика атмосфери Землі
Основною складовою атмосфери є повітря – суміш газів. Середній склад атмосферного повітря на рівні моря: азот – 78,09%, кисень - 20,95%, аргон – 0,93%, вуглекислий газ – 0,03%. Крім того, обов’язковим компонентом атмосфери є вода, яка може існувати в різних формах. Газоподібна вода (водяна пара) складає в середньому до 0,25% маси повітря. Традиційно водяну пару не враховують як складову повітря через мінливість її вмісту. Її кількість у повітрі характеризується значними коливанням як протягом сезону та доби, залежить від широти або висоти над земною поверхнею. Зазвичай межі коливань становлять 0,02-4,00%. Крім того, вода в атмосфері може тривалій час існувати у рідкому або твердому стані. Також у повітрі міститься пил та аерозолі.
Біогеохімічна роль газових компонентів не відповідає їх загальному вмісту у повітрі: азот – відносно інертний газ, який за звичайних умов практично не бере участь у хімічних процесах біосфери. Проте, кисень, вуглекислий газ та вода – є найважливішими для всього живого компонентами атмосфери, які визначають як фізичні явища в атмосфері (зокрема енергетичний баланс біосфери), так і хімічні процеси (окислення, формування вільних радикалів).
Термосфера – фактично не є частиною атмосфери. Верхня межа є нечіткою і знаходиться на висоті близько 800 км. Характеризується відсутністю перемішування повітряних мас (турбопауза). Температура часто досягає 100-250 оС, однак звичайне поняття "температура" тут непридатне, оскільки незначна кількість частинок, що рухаються не дає відчуття тепла і не нагріває звичайний термометр. Вимірювання вільної теплової енергії повітря проводять іншими методами. У мезосфері та термосфері відбуваються складні енергетичні процеси поглинання енергії космічних випромінювань та сонячної радіації. Вони мають вплив на приземні умови існування організмів, проте багато явищ залишаються слабо дослідженими через свою віддаленість від поверхні Землі.
Мезосфера – шар атмосфери на висоті 40-50 – 80-90 км. Характеризується значним розрідженням повітря та різким підвищенням температури до +50 оС на висоті 60 км.
Стратосфера (от лат. stratum – настил, шар) – шар атмосфери простирається до висоти 48-50 км. Тут зосереджено близько 20% маси повітря. Повітря у стратосфері практично не містить води, проте містить достатньо багато озону. Основною ознакою стратосфери є підвищення температури повітря, досягаючи на її верхній межі стабільних величин від -30 до +20 оС (в залежності від широти та сезону). Ця область стабільної температури отримала назву стратопаузи. Зростання температури повітря в стратосфері зумовлено взаємодією ультрафіолетового випромінювання Сонця з компонентами повітря (зокрема з озоном). У стратосфері за рахунок фотохімічних реакцій відбувається утворення озону, відбувається іонізація атмосферних газів, утворюються вільні радикали. В результаті, короткохвильове випромінювання Сонця практично не проникає до тропосфери, поглинаючись у стратосфері. Незважаючи на значну віддаленість від поверхні Землі, фотохімічні процеси в стратосфері є важливими для існування життя на планеті.
Просторова динаміка величини температурних аномалій тропосфери
Широтні зміни товщини тропосфери
Для атмосфери є характерним виражена вертикальна гетерогенність. За рядом фізичних параметрів повітряну оболонку Землі умовно поділяють на кілька шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу.
Тропосфе́ра (ст.-гр. τρόπος — «поворот», «зміна» и σφαеρα — «куля») — нижній шар атмосфери, товщиною у полярних областях 8-10 км, на екваторі 16-18 км. Протягом року товщина тропосфери змінюється – зазвичай взимку зменшується, а влітку – збільшується. Це пояснюється тепловим розширенням повітря. Незважаючи на те, що товщина тропосфери складає лише близько 1% від загальної товщини атмосфери, у тропосфері зосереджено понад 80% всієї маси повітря атмосфери та понад 90% всієї атмосферної води. Тут відбуваються процеси турбулентного перемішування повітряних мас, їх широтного переміщення, здійснюється круговорот води, виникають хмари, формуються атмосферні фронти, циклони та антициклони. В результаті саме умови тропосфери визначають погоду та клімат, забезпечують існування життя на планеті. Саме тому, тропосфера є найбільш вивченою частиною атмосфери, а її екологічні умови невірно перекладають на всю атмосферу.
Середня температура повітря тропосфери становить 15оС. Проте, для тропосфери характерна значна вертикальна та горизонтальна температурна гетерогенність. Відмінності температури повітря в різних районах Земної кулі пов'язані зі складними процесами теплопередачі у повітрі. При підйомі у тропосфері температура знижується на 0,65оС через кожні 100 м і досягає мінімуму на висоті 8-18 км. Ця область відповідає межі тропосфери та стратосфери і отримала назву тропопаузи. Цікаво, що температура тропопаузи є нижчою на екваторі (до -90оС), і вищою на полюсах (до -50оС). Тропосфера достатньо чітко відмежовується від іншої атмосфери ущільненим шаром повітря. Завдяки цьому тропосферне повітря повільно перемішується з повітрям стратосфери.